Wie wirken 3-Phasen-Überspannungsschutz bei der Reduzierung von elektrischen Überspannungen?

In einem 3-Phasen-System arbeitet der Überspannungsschutz durch Erfassen einer abnormalen Überspannung, Schaltung von intern von einem hochohmigen Zustand in einen Zustand mit niedriger Impedanz, Umleiten des Stoßstroms in den Erdungs- oder Verbindungspfad und Begrenzung der Spannung, die die angeschlossene Ausrüstung erreicht. Es blockiert keinen Anstieg. Es reduziert die Spitzenspannung, indem es dem Überspannungsstoß einen kontrollierten Weg von empfindlichen Lasten gibt. Das Ergebnis ist eine geringere elektrische Belastung von Isolation, Netzteilen, Antrieben und Steuerelektronik.

Dreiphasensysteme benötigen diesen Ansatz sogar noch mehr als einphasige Systeme, da sie mehr mögliche Überspannungswege haben. Überspannungen können von Linie zu Masse (L – G), von Linie zu Linie (L – L) und in Systemen mit neutralem, manchmal neutralem (N-G) erscheinen. Eine 3-Phasen-Überspannungsschutzvorrichtung ist daher für die gleichzeitige Steuerung mehrerer Überspannungsarten konzipiert, nicht nur eines.

Dieser Artikel erklärt, wie Überspannungsschutzgeräte in 3-Phasen-Stromversorgungssystemen funktionieren, wie sie transiente Überspannungen umleiten und begrenzen, wie unterschiedliche SPD-Typen (Typ 1, Typ 2 und Typ 3) verwendet werden und wie sich Platzierung und Koordination auf die Leistung der Reduktion der realen Überspannung auswirken.

Was „Elektrischer Überspannungsstoß“ in 3-Phasen-Systemen bedeutet 

Ein elektrischer Überspannungsstoß, der eher eine vorübergehende Überspannung genannt wird, ist ein sehr kurzer und sehr schneller Anstieg der Spannung. Es dauert normalerweise von Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden. Die beiden häufigsten Quellen sind Blitze (entweder direkte Schläge oder induzierte Auswirkungen auf nahegelegene Leitungen) und Schaltereignisse innerhalb des elektrischen Systems.

In industriellen und kommerziellen 3-Phasen-Anlagen entstehen viele Überspannungen intern. Große Motoren, variable Frequenzantriebe, Schütze und Kondensatorbänke schalten alle erhebliche Energie. Bei jedem Stromunterbrechungs- oder Umleitungsstrom kann die Systeminduktivität einen Spannungsspitzen erzeugen. Dies bedeutet, dass selbst bei stabiler Versorgung der externen Versorgungseinrichtungen in einer Anlage häufig vorübergehende Überspannungen auftreten können.

Wie eine 3-Phasen-SPD funktioniert 

Eine Überspannungsschutzvorrichtung, die häufig als SPD (Surge Protection Device) abgekürzt wird, arbeitet nach einem einfachen, aber sorgfältig ausgearbeiteten Prinzip: Sie bleibt im Normalbetrieb unsichtbar und wird nur dann leitend, wenn die Spannung gefährlich wird.

Überwachung und Schwellenwertverhalten

Unter normalen Bedingungen befinden sich die inneren Schutzelemente der Vorrichtung in einem hochohmigen Zustand. Dies bedeutet, dass sie fast keinen Strom ziehen und das Stromnetz nicht beeinträchtigen. Die SPD „beobachten“ die Spannung kontinuierlich.

Wenn ein Transient die Spannung über einen definierten Schwellenwert drückt, ändert sich das Verhalten. Die internen Elemente schalten schnell in einen leitenden Zustand um. Diese Umschaltung ist nicht mechanisch, sondern geschieht aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Komponenten im Inneren des Gerätes.

Umleitung (Stromumleitung) + Klemmung

Sobald die SPD leitend wird, erzeugt sie einen kontrollierten niedrigen Impedanzweg zwischen dem erregten Leiter und dem Erdungs- oder Bondsystem. Der Stoßstrom bevorzugt diesen niederohmigen Weg, anstatt durch empfindliche Geräte zu fließen.

Gleichzeitig begrenzt das Gerät die Spitzenspannung, die über der Last auftreten kann. Das nennt man oft „Klammern“. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Spannung nicht auf Null reduziert wird. Es bleibt immer eine gewisse „Rest“- oder „Durchlass-“ Spannung. Ziel ist es, diese Restspannung so gering zu halten, dass Isolationssysteme und elektronische Komponenten nicht beschädigt oder übermäßig belastet werden.

Multi-Mode-Schutz in 3-Phasen-Netzwerken

In 3-Phasen-Systemen treten Überspannungen nicht nur auf eine Weise auf. Ein praktisches Gerät muss mehrere Wege gleichzeitig bewältigen:

• Linie nach Masse (L–G)
  
• Linie zu Linie (L – L)
  
• In Systemen mit neutralem, manchmal neutralem Erdungspunkt (N-G)
  

Eine 3-Phasen-Überspannungsschutzvorrichtung ist daher intern angeordnet, um diese Modi gemeinsam zu steuern. Es wird nicht davon ausgegangen, dass ein Anstieg immer auf Grund zurückgreift. Zwischen den Phasen treten viele schädliche Transienten in 3-Phasen-Geräten auf.

Schlüsselkomponenten in einem 3-Phasen-Überspannungsschutzgerät 

modernste Überspannungsschutzgeräte Verlassen Sie sich auf eine kleine Anzahl bewährter Komponenten, die für die erforderlichen Spannungs- und Stromstärken angeordnet und abgestimmt sind.

Das häufigste aktive Element ist der Metalloxidvaristor (MOV). Ein MOV verhält sich bei normaler Spannung wie ein sehr hoher Widerstand und wie ein niedriger Widerstand, wenn die Spannung den Schwellenwert überschreitet. Diese Eigenschaft ermöglicht es der SPD, in einem Bruchteil einer Mikrosekunde von "Nichts tun" auf "Umleitungsstrom" umzuschalten.

Da MOVs und ähnliche Elemente nach vielen starken Überspannungen überhitzen oder abbauen können, enthält ein praktisches Gerät auch einen thermischen Trennschalter oder einen ähnlichen Schutz. Dadurch wird verhindert, dass eine ausgefallene Komponente unsicher mit dem System verbunden bleibt. Viele Geräte enthalten auch einfache Anzeigen, wie ein Fenster oder eine LED, um zu zeigen, ob die Schutzelemente noch angeschlossen sind. Einige Designs bieten einen Fernalarmkontakt, so dass der Status von einem Steuerungssystem überwacht werden kann.

Ein kritischer praktischer Punkt ist, dass diese Geräte nicht dauerhaft sind. Jedes Mal, wenn sie Überspannungsenergie absorbieren, wird eine kleine Menge ihrer Kapazität genutzt. Über viele Ereignisse verschlechtern sie sich langsam. Dieses „Verbrauchsverhalten“ ist normal und ist der Grund, warum Bedingungsindikatoren existieren.

SPD-Typen in 3-Phasen-Systemen 

Die Begriffe für SPD-Typen Beschreiben Sie, wo das Gerät im Netz installiert ist und welche Art von Überspannungsumgebung es ausgelegt ist. Sie sind keine Qualitätsstufen, sondern Anwendungskategorien.

• Überspannungsschutzgerät Typ 1: Installiert am oder in der Nähe des Serviceeingangs, vor der Hauptverteilung. Es soll energiereiche Überspannungen von außen bewältigen, wie z. B. blitzbedingte Ereignisse an den Versorgungsleitungen.
  
• Überspannungsschutzgerät Typ 2: In Verteilertafeln, Motorsteuerzentren und ähnlichen internen Platinen installiert. Es ist die häufigste Wahl zum Schutz von 3-Phasen-Industrie- und Gewerbeplatten vor eingehenden und intern erzeugten Überspannungen.
  
• Überspannungsschutzgerät Typ 3: Nah an empfindlichen Geräten installiert. Es ist nicht dazu gedacht, große Überspannungsenergie selbst zu verarbeiten, und hängt von vorgelagerten Geräten ab, um den Hauptstoß zu verringern, bevor er sie sieht.

• FDS20C/4-275 Klasse II
• Bezeichnung: Typ2
• Klassifizierung: Klasse II
• Schutzmodus: L→PE, N→PE
• Nennspannung Un: 230 VAC/50(60)Hz
• max. Dauerbetriebsspannung UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
• Kurzschlussfestigkeit: 20 ka
• Dauerbetriebsstrom IC: <20 µA
• Standby-Stromverbrauch PC: ≤25 MVA
• Max. Entladestrom (8/20μs) IMAX: 40 ka
• Nenn-Entladestrom (8/20μs) in: 20 ka
• Spannungsschutzniveau UP: ≤1,3 kV
• Isolationswiderstand: ＞1000 MΩ
• Gehäusematerial: UL94V-0
• Schutzart: IP20

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In einem Komplettsystem werden diese Typen häufig so kombiniert, dass jeder den Teil der Überspannungsenergie, für den er am besten geeignet ist, behandelt.

Wo 3-Phasen-SPDs die Überspannungen am stärksten reduzieren 

Überspannungsschutz Funktioniert am besten, wenn es schrittweise angewendet wird. Ein Gerät am Serviceeingang reduziert die Energie großer ankommender Überspannungen, bevor sie sich im Gebäude ausbreiten können. Geräte in Verteilertafeln reduzieren dann die verbleibende Energie und behandeln auch Überspannungen, die durch internes Schalten erzeugt werden. Schließlich kann der Point-of-Use-Schutz mit den kleineren, schnelleren Transienten umgehen, die verbleiben.

Die Details der physischen Installation sind sehr wichtig. Die Verbindung zwischen der SPD und den Sammelschienen oder Leitern sollte so kurz und direkt wie möglich sein. Lange Leitungen addieren die Induktivität und die Induktivität erzeugt zusätzliche Spannung bei schnellen Stromänderungen. In der Praxis bedeutet dies, dass selbst ein sehr guter Überspannungsschutz bei Installation mit langen, schlaufendähmten Drähten schlecht abschneidet.

So reduzieren 3-Phasen-SPDs Überspannungen (Übersicht inszenierter Schutz)

Diese Tabelle zeigt die Logik des gestuften Schutzes. Es wird erwartet, dass kein einziges Gerät alles erledigt. Jeder Ort reduziert einen Teil der Überspannungsenergie und der Spitzenspannung. Wenn ein Transient die empfindliche Elektronik erreicht, sind seine Amplitude und Energie viel niedriger als am Serviceeingang.

Real-World-Leistungsfaktoren 

Die tatsächliche Leistung von Überspannungsschutzgeräten in 3-Phasen-Systemen hängt von mehreren praktischen Faktoren ab, nicht nur vom Gerät selbst:

• Die Qualität des Erdungs- und Bondsystems beeinflusst stark, wie leicht Stoßstrom von der Ausrüstung abgeleitet werden kann.
  
• Kurze, gerade Anschlussleiter reduzieren den induktiven Spannungsanstieg und verbessern die Spannleistung.
  
• Die Koordination zwischen mehreren Überspannungsschutzgeräten verhindert, dass ein Gerät all den Stress und das Altern zu schnell abnimmt.
  
• In vielen 3-Phasen-Anlagen sind intern erzeugte Schaltstöße häufiger als blitzbedingte Ereignisse und müssen in der Schutzstrategie berücksichtigt werden.
  

Häufige Fehler 

Mehrere häufige Installations- und Planungsfehler verringern die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes in realen Systemen:

• Wenn Sie nur ein Überspannungsschutzgerät für eine gesamte Anlage verwenden und davon ausgehen, dass alles gleichermaßen geschützt wird.
  
• Installieren des Geräts weit von der Sammelschiene oder mit langen, schlaufendrückenden Leitern, die unnötige Induktivität hinzufügen.
  
• Ignorieren von Linien-zu-Linie-Stößen und Fokussierung nur auf Linien-zu-Boden-Pfade in 3-Phasen-Systemen.
  
• Verwenden Sie nur ein Gerät vom Typ 3 in der Nähe von Geräten ohne vorgeschalteten Schutz vom Typ 1 oder Typ 2.
  
• Angenommen, eine Statusanzeige mit „OK“ bedeutet, dass das System perfekt gegen alle möglichen Überspannungen geschützt ist.
  

Abschluss 

In einem 3-Phasen-Stromversorgungssystem funktioniert der Überspannungsschutz durch Erkennen einer abnormalen Überspannung, Umschalten auf einen niederohmigen Weg, Umleiten des Stoßstroms auf Masse und Begrenzen der Spannung, die das Gerät erreicht. Es reduziert elektrische Belastungen, anstatt Überspannungen vollständig zu beseitigen. Da 3-Phasen-Systeme mehrere Überspannungspfade haben, muss der Schutz die Modi von Line-to-Line und von Line-to-Bround abdecken. Die effektivsten Ergebnisse ergeben sich aus der korrekten Platzierung, kurzen Verbindungen und der Koordination zwischen verschiedenen SPD-Typen. Bei ordnungsgemäßer Anwendung reduzieren diese Geräte die Ausfallraten und Ausfallzeiten erheblich, obwohl kein System alle Überspannungseffekte entfernen kann.

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